（土地资源管理专业论文）时态地籍的用户访问模型设计及实现.pdf

摘要 空间时态g i s 研究是当前g i s 研究的热点之一。地籍信息系统中的数据具有动态、 变化频繁的特点，正是空间时态g i s 应运的重要领域。目前的中国已经完成了城镇土地 的初始登记，地籍信息系统也逐渐成为地籍信息管理的重要工具。 由于中国经济的高速发展，土地流转的频率在不断提高。相应的用户在工作、生 活中使用时态地籍信息的频率也就越来越高。用户希望可以在友好的环境下，高效、简 单的访问时态地籍信息。然而，绝大多数现有的地籍信息系统都不能向用户提供时态地 籍信息，用户还是很难得到时态地籍信息。 为了给用户设计有效、准确的访问模型，本文以西安市地籍管理为研究对象，进 行了为期一个月的实地调查，了解当前土地管理部门对时态地籍信息的存储、管理、发 布以及查询的状况。然后本文分析了当前情况下时态地籍的用户需求，根据当前国内外 空间时态数据模型的研究成果设计了适合我国的时态地籍数据模型；并总结了时态地籍 用户访问模型设计的原则和标准，最后使用统一建模语言( 切l ) 为时态地籍用户设计 了用户访问模型。并应用p o s t g r e s p o s t g i s 软件，在g i s 环境中对访问模型进行了测试。 关键词：时态地籍，用户需求分析，用户访问模型 a c c e s sm o d e lf o rt e m p o r a lc a d a s t r e a b s t r a c t n o w a d a y s ，s p a t i o t e m p o r a lg i si s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta r e a si nt h e d e v e l o p m e n to f g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) c a d a s t r a li n f o r m m i o ns y s t e m ( c i s ) ，i nw h i c hd a t ah a sa d y n a m i ct y p e s t r u c t u r ea n d c h a n g e sf r e q u e n t l y ，i s a p r o m i s i n ga r e a f o rt h ea p p l i c a t i o no f s p a t i o t e m p o r a lg i s ( z h a n g ，2 0 0 6 ) i nc h i n a ，c i si sa tt h es t a g eo ff l o u r i s h i n gd e v e l o p m e n ta n dt h e i n i t i a ll a n dr e g i s t r a t i o nh a sb e e nc o m p l e t e di nc i t i e sa n dt o w n s d u et oe c o n o m i cg r o w t hi nc h i n a ，t r a n s a c t i o n sr e l a t e dt op a r c e l sa r ei n c r e a s i n gr a p i d l y m e a n w h i l e ， t h eu s e r si n c l u d i n gc i t i z e n sn e e dt e m p o r a lc a d a s t r a li n f o r m a t i o ni nt h e i rw o r ka n dl i f e t h eu s e r sw a n t a c c e s st ot e m p o r a lc a d a s t r a ld a t ae a s i l y ，f r i e n d l ya n de f f i c i e n t l y h o w e v e r , m o s to ft h ec u r r e n tc i si n c h i n aa r eu n a b l et op r o v i d ee a s ya c c e s sf o rt h eu s e r s t h em a i nr e a s o ni st h a tt e m p o r a lc a d a s t r a ld a t a h a v en o tb e e ns e e na sak i n do fp r o d u c t ，a n dt h i sd e m a n d sh a v eb e e nn e g l e c t e d ( t a n g19 9 8 ) i no r d e rt oa n a l y z eu s e rd e m a n d so nt e m p o r a lc a d a s t r e t h e o r e t i c a lk n o w l e d g eo nt e m p o r a lc a d a s t r e w a sf i r s t l ys t u d i e du s i n ga v a i l a b l el i t e r a t u r e t h e nf i e l d w o r kw a sc o n d u c t e di nx i a nc i t yt o u n d e r s t a n dt h eu s e rd e m a n d sa n dc u r r e n ts i t u a t i o no fc h i n e s et e m p o r a lc a d a s t r a lm a n a g e m e n t t h e f i e l d w o r ki n d i c a t e st h a tc h i n e s el a n dm a n a g e m e n th a sg e tah u g ed e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r s l o c a l c i sh a sa l s ob e e nb u i i tu pi nt h ec i t ya n dt o w n h o w e v e r 。b e c a u s eo ft e c h n o l o g i c a la n di n s t i t u t i o n a l r e a s o n s t h ep r o b l e m sa b o u ta c c e s st ot e m p o r a lc a d a s t r a ld a t aa r es t i l ln o ty e ts o l v e di nc h i n a u s e r s a r en o ts a t i s f i e dw i t ht h ec u r r e n ts t a t u so fa c c e s st ot e m p o r a lc a d a s t r a ld a t a t h i sr e s e a r c ht h e nl o o k sa td e s i g no ft e m p o r a lc a d a s t r a la c c e s sm o d e l ( t c a m ) f o rt h ei d e n t i f i e d u s e r s t h ed e s i g ni sc a r r i e db yu n i f i e dm o d e l l i n gl a n g u a g e ( u m l ) a n dp r o t o t y p ei st e s t e di n p o s t g r e s p o s t g i se n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：t e m p o r a lc a d a s t r e ，u s e rd e m a n d s ，d a t aa c c e s sm o d e l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 ：首缸2 蝴日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 2 一年j 工月日 2 p 矿多年肛日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 当今的中国，由于人口的不断增长以及工业化、城市化等原因，社会对土地资源的 需求急剧增长，导致土地资源越发稀缺。有些地区由于过度利用，致使土地质量也出现 下滑。基于对土地资源的需求快速增长的态势，为了保持中国社会经济的可持续发展， 城市土地过度扩张、耕地质量下滑的情况必须得到遏制。中国政府已经认识到这个问题， 并一直在积极寻求通过有效的土地资源管理理论、方法、技术，来促进土地资源合理利 用。 地籍管理是土地资源管理的重要组成部分，是所有土地管理工作的基础。合理、高 效的管理地籍是有效管理土地资源、促进土地资源合理利用的有效手段。一般说来地籍 数据包括两个方面的内容：1 ) 空间属性数据：包括宗地的位置、四至、形状以及面积 等；2 ) 非空间属性数据：包括宗地相关的权属数据，如所有权权属、宗地所有权人、 使用权人以及其他权属数据。在地籍管理工作中宗地信息的变更管理尤其重要。越来越 频繁的土地流转使得地籍数据变化也越来越频繁，这些地籍数据的变化包括宗地面积和 形状的变化、宗地的合并和分割、宗地边界的变化以及权属状况的变化。由于工作量巨 大，传统手工的地籍管理方法已经适应快速变化的地籍数据信息管理。随着信息技术和 地理信息系统的不断发展，地籍信息系统( c i s ) 已经广泛应用于土地部门，以提高地 籍信息管理效率。 空间和时间是地理信息科学中最基本的元素，它们是所有地理信息模型和思想的基 础。而且在日常生活中，空间和时间同样非常重要，正如我们常说的“任何事都是在某 时某地发生的 ，空间位置和时间顺序成为现实世界构成的参照坐标。因此在日常地籍 管理中我们也应该对地籍的时态方面给予足够的重视。地籍信息中的时态方面研究对于 追溯宗地的空间变化、预测土地利用的未来发展有重要意义。 图1 - 1 是土地利用模式空间时态变化的一个示例。在t l 时间点，地块利用从a 变 为b 。地块1 被分割为地块4 和地块5 ，所以t 1 就与地块4 、地块5 相对应。当地块利 用从b 变为c ，地块5 和地块3 合并为地块6 ，所以t 2 就与地块6 相对应。及特定的时 问点只和相关的地块相对应。 第一章绪论 1 9 8 9 1 2 f r ” 司_ 9 9 3 3 4 ( t 2 ) _ j ，。_ 二二! 二- 型 g r e e na r e ar e s i d e n c ec o m m e r c e 图l 一1 ：土地利用模式的空甸时态变化示例( l i uz 0 0 6 ) 尽管越柬越多的土地管理部门开始采用地籍信息系统束管理地籍数据，但大多在系 统建设中对时奄方面考虑不足。另外为用户简单、轻松、准各访问时态地籍信息的访问 模型吐i 非常欠缺。所咀本文将对时志地籍的用户需求进行分析，并建立用广l 访问模型。 12 研究问题 地籍数据是个国家的基础地理信息，有许多的组织和个人需要地籍信息。这些组 纵包括土地登记和地籍部门、城市规划部门、税务部门、交通部门、司法部门、环境部 f j 以及银行、房地产开发单位等。它们对地籍信息的需求并不仅仅是土地现状数据，还 有存特定时i l 【j 点的历史数据。 时志地籍最大的功能在于为用户提供高效、合理的决策信息。利用时态地籍用户可 以追溯宗地使用权属、宗地边界变化、宗地利用类型变化，甚至是宗地市场价格变化。 利用时态地籍，用户可以评估以前上地政策的有效性，可以分析未来的土地利用趋势， 在决策时可以参考过去发生的事件，以及地块族系数据采集。对于用厂1 来说，地籍资料 中豹条h 太多、太复杂。根据终端用户的需要，应尽量给用户提供他们需要的地籍信息。 因此，r 解清楚用户的实际需求是1 ”分必要的。 如果中田的地籍信息系统可以提供宗地属性变化的时态信息，用户就可以很容易的 追溯地块的窄问变化，预测未来十地利用趋势，为将来的土地利用规划提供依据。所以 搞清楚用户需要仆么数据并为用户提供方便的i 方问渠道是非常柯必要的。 综e 所述，本文将着重于分析用户对于时态地籍的需求，并为用户设计访问时态地 籍信息的访问模型。 长安大学硕十：学位论文 1 3 研究目标 本文的主要研究目标是分析用户对于时态地籍的需求，并为用户设计访问时态地籍 信息的访问模型。 要完成主要研究目标，就必须完成下面的3 个子目标： a ) 了解当前中国的地籍信息管理状况以及现行地籍信息系统中时态方面的状况； b ) 通过调查确定用户对于时态地籍信息的需求； c ) 依据用户需求，为用户设计访问模型。 1 4 研究问题描述 要想完成本论文的上述详细研究目标，首先需要回答下列研究问题： 了解当前中国的地籍信息管理状况以及现行地籍信息系统中时态方面的状况，首先 要搞清楚时态地籍的概念和世界上其他国家是应用时态地籍的情况。下列问题需要阐 述： 目前有哪些时态数据模型? 在现行的时态地籍系统中主要应用哪种数据模型? 在世界上地籍管理先进的国家是如何应用时态地籍模型的? 当前中国的时态地籍信息是如何管理的? 针对第二个子目标，需要弄清楚用户真j 下需要的是什么数据。下列问题需要阐述： 时态地籍的用户是谁? 他们需要什么类型的数据? 用户需求包括什么方面的内容? 第三个子目标是为用户设计开发时态地籍访问模型。下列问题需要阐述： 什么是访问模型? 先前使用的访问模型是什么? 访问模型中包括什么元素? 采用什么方法进行建模? 第一章绪论 1 5 研究工作流程 萎萋霎 歪彗奁 詈菱辖 柱甚茁 霉 图1 - 2 ：研究工作流程图 1 6 研究方法 为了回答以上的问题，本文中采用了以下几种研究方法。为了更好的应用这些方法， 将他们与研究阶段结合起来。 1 6 1 文献阅读 在这一阶段，需要阅读关于时态g i s 、时态地籍的理论资料；现行地籍管理模式资 料；目前地籍信息系统方面的资料；地籍用户方面的资料以及用户访问模型方面的资料。 4 。剥辎厘熔g喵、妲操舞糕玺 厘罄右魁皿匠状状*帷g攥霉怕茁即提足匠呵乎轼求疆州状富 长安大学硕士学位论文 这一阶段是整个研究的基础，结合其他阶段的研究，将解答所有的研究问题。 1 。6 2 用户分析 用户分析就是在一定环境条件下，根据用户的需求确定用户的不同点( g r o e n e n d i j k 2 0 0 3 ) 。 定义用户分析的目的。 准备用户列表。挑选与本研究相关的用户。 确定用户利益。准备用户利益表，归纳总结与本文相关的用户利益。 分析用户对地籍系统的影响力。 总结分析结果，划分用户类型。 通过这一阶段的研究工作，可以部分回答研究问题中的6 、7 两个问题。 1 6 3 实地调研、数据收集 实地调研的研究城市选定为西安市。西安市中国西北最大的城市，随着社会经济的 迅速发展，合理高校的使用土地资源显得尤为重要。而且西安市国土资源管理局非常重 视运用信息技术来管理地籍信息，并已建立城市土地信息管理系统。所以选择西安作为 调研城市，即具有代表性，也利于数据收集。 在这一阶段的主要任务是访问专家、数据提供者以及数据使用者，来收集用户需求 数据。是调研过程中要用到几种方法，例如观察法、面谈法以及问卷调查等。本阶段主 要有以下几项活动： 1 )在北京与中国测绘科学研究院的地理空间信息国家测绘局重点实验室负责 人唐教授会面。中国测绘科学研究院是中国测绘学科内最大，研究范围最广泛的机构。 且唐新明教授本人也从事时态空间信息研究多年。因此可以得到许多中国目前地籍信息 管理现状以及时态地籍应用方面的信息。而且对本研究后期用户访问模型的设计也很有 帮助。 2 ) 探访西安市国土资源管理局。西安市国土资源管理局是西安市唯一法定的地 籍信息提供者，也是本次实地调研的重点单位。 i ：与西安市国土资源管理局负责人访谈。访谈主要采用主题设定访谈法。访 谈将围绕西安市国土资源管理局如何向用户提供时态地籍数据进行。 i i ：与西安市国土资源管理局的职员进行访谈。访谈方法采用半结构型面谈法 和观察法。主要是观察职员的工作程序，访谈主要注重一些细节问题。 3 ) 与时态地籍用户进行面谈。地籍用户初步划分为单位用户和个人用户。单位用 户中包括政府部门，如税务部门、城市规划本门、房屋部门以及城市建设部门等等；单 第一章绪论 位用户还包括房地产开发公司等用地企业。对于单位用户和个人用户，主要采取调查问 卷方式收集资料。 表1 - 1 ：实地调研计划表 受访人数据获取方法 唐新明教授半结构型访谈 蕊 叫 主要采用土题设定访谈法。访谈将罔绕两 圃 西安市国十资源局负 安市国- 十资源管理局如何向刚户提供时 懈 责人 卑遐 态地籍数据进行。 佼聪 赵 裂 西安市国土资源局职 采用半结构型面谈法和观察法 寒 员 籁 单位用户 主要采用问卷调查方式开放式问题和 封闭式问题都会使用 旺 个人用户主要采用问卷调查方式 1 6 4 数据分析 在这一阶段主要是对前一阶段收集的数据进行分析、整理。主要有两步： a ) 整理实地调研的资料，对比原先的用户分析，确定最终的用户群。 b ) 绘制用户、资料提供者之间的关系图。 1 6 5 用户访问模型设计 根据前面的分析和整理，本阶段的主要任务就是为用户开发访问模型。模型设计将 采用u m l 语言。这个模型的主旨就是在时态地籍数据提供者和数据使用者之间架设连 通的桥梁，使用户可以快捷、准确的时态地籍数据。 研究方法与研究问题之间的关系如下表所示： 表1 2 研究方法与研究问题关系表 、 问题 q q q q q q q qq 方法 123456789 文献阅读 _q 00 00心00 用户分析 0t 实地调研和数据收集 00 数据分析 00 用户访问模型设计 00_ 6 长安大学顾七学位论文 1 7 文章主要结构 第一章：绪论 本章介绍了本研究的总体情况。提出了研究背景、研究问题、研究目标、研究方法、 工作流程、时间计划以及文章结构。 第二章：理论基础和国内外研究综述 本章主要介绍了关于时空数据模型的基本概念以及在土地、地籍管理领域时空模型 的应用。荷兰地籍作为时态地籍管理的典型实例进行了学习。本章还对信息访问的相关 理论进行了简单的介绍。 第三章：中国时念地籍现状调查及用户分析 本章包括两个方面的内容。一方面是实体调查，作为本研究的重要组成部分，作者 用一个月的时间来调查中国时态地籍管理的现状；另一方面是对于时态地籍用户调查以 及用户需求的分析。 第四章：中国时态地籍数据模型设计 本章根据当前在空间时态数据模型设计的研究成果，分析了我国土地登记的流程， 书籍了适合我国地籍的时态地籍数据模型。 第五章：时态地籍访问模型的原则和标准。 本章介绍了信息访问模型的定义、原则和设计标准。并将当前流行的服务导向框架 模型和一站式政府这两个访问模型理论进行了回顾。 第六章：时态地籍访问模型的设计与测试 在本章中作者首先设计了时态地籍访问模型框架图。然后用u m l 语言设计了时态 地籍访问模型。最后选用p o s t g i s 作为查询平台，进行了一些简单的查询测试。 第七章：结论和建议 7 第一二章皋奉理论概念及国内外研究现状 第二章基本理论概念及国内外研究现状 2 1 本章简介 地理实体具有是通过较复杂的属性结构来表述的。每个空间地理实体都包括空间属 性和非空间属性，且随时间的变化而变化。因为空间地理实体随时间的变化已经在诸多 g i s 的应用领域中成为不可缺少的部分，所以地理信息系统需要与时间维度结合起来， 即时态地理信息系统( t g i s ) 成为地理信息系统研究的主要内容。地籍信息系统就是时 态地理信息系统应用的主要领域之一，它需要存储、处理大量的宗地变化的历史信息。 本章的主要内容是本研究的基本概念、理论等。这些相关概念和理论的学习对本研 究是非常必要且必需的。本章的内容结构如下：2 2 是关于时间的基本概念；2 3 是一些 基础的空间时态模型介绍；然后在2 ，4 中，介绍了一些空间时态数据模型在土地管理领 域的应用研究；接着在2 5 中，以荷兰地籍( k a d a s t r e ) 作为实例研究，介绍了空间时 态模型在地籍管理方面的应用；本章的最后，主要介绍了与信息访问相关的理论。 2 2 基本时间概念 时问是一个较为抽象的概念，要想具体的了解时间，就必需对时间的基本特点和结 构等定义有所了解，本节将对时间结构，时间密度，时间量度以及时间的拓扑特性进行 介绍： ( i ) 时间类别 时态数据库中涉及到以下三类时间： 有效时间( v a l i dt i m e ) ，又称“世界时间 、“物理时间”、“外界时间”、“对象时间 等， 它是一个空间实体从产生到消亡，在现实世界中为真的时间段。如果理论模型允 许目标消亡后再生，则有效时间是多个不相交时间区间的并。 事务时间( t r a n s a c t i o nt i m e ) ，又称“数据库时间”、“系统时间”、“逻辑时间”、“历 史记录时间”等。它是指事件被录入数据库中的时间。通常在事件发生和事件录入数 据库之间有一段时间延迟，故有效时间通常小于事务时间。若二者相等，则意味着现实 世界事件即是数据库事物本身，若有效时间大于事务时间，则意味着系统包含未来事件 的信息。 用户定义时间( u s e r - d e f i n e dt i m e ) ：是指用户根据需要而输入的时间( 万剑华，肖 平1 9 9 8 ) 。 ( i i ) 时间的结构 时间具有三种结构：线状结构( l i n e a rs t r u c t u r e ) ，环状结构( c y c l i cs t r u c t u r e ) 和分 长安大学硕： ：学位论文 叉结构( b r a n c h i n gs t r u c t u r e ) 如图2 1 所示。在线状时间结构中，时问总是以过去到未 来的顺序存在；在环状时间结构中，时间以一定的周期循环存在，即客体在经过一定时 间后总是恢复到原来出现过的状态：在分叉时间结构中，时间从过去发展到现在的状态， 然后分裂为许多的线状时间结构，或由多种的过去时间状态发展向单一的未来时间状 态。 l i n e a rt i m es t r u c t u r e ( a ) c y c l i ct i m es t r u c t u r e ( b ) o b r a n c h i n gt i m es t r u c t u r e ( a )b r a n c h i n gt i m es t r u c t u r e ( a ) 嘲乙 陌y 产 f 山他 p r e 靶n tl 、 图2 - 1 ：时同结构图不( r a z = 2 0 0 1 ；z h a n g2 0 0 6 ) ( i i i ) 时间的密( 集) 度 时间的表示可以根据时间的密度分为两类：离散的时间和连续的时间。离散的时间 模型与自然数的结构相类似，即每个时问点都有一个唯一的后续时间点；连续的时间模 型就是说时间可以无限的细分，总能在两个时间点间找到另一个时间点。 ( i v )时间点和时间区间 时态事件总是与时间点、时间区问( 持续时间) 相联系，且不同的时间区问内是不 相交的。一个完善的时念数据模型应该包括时间点和时间区间，来对事件的现实时间和 系统时间来分别进行管理。 ( v ) 绝对时间和相对时间 在大多数基础层面，时间和空问的历史表述都分为绝对时间和相对时间。例如2 0 0 5 年6 月2 号就是一个绝对时问；而一天或一年都是相对时间。 ( v i ) 时态拓扑属性 时间与空间存在根本上的不同，在时间世界中所有的时态实体都可以用一维、单一 方向的线状时间结构来表示。时态拓扑属性基本上建立在时问的原始概念上。时态数据 9 第二二章基本理论概念及国内外研究现状 模型直接时间点和时间区间，共有9 种拓扑关系存在( h e oa n dk i m2 0 0 6 ) ： 分离( t bt ：) ：t ，与t ：之间没有任何重叠或相交； 起点( t ，t ：) ：时间点t 。是时间区间t ：的起点； 终点( t 。，t ：) ：时间点t 是时间区间t ：的终点； 相随( t ，t ：) ：t 。在t ：之前，在t 。，t 。之间没有其他的时间区间，即t 。 的终点为t ：的起点； 重叠( t ，t ：) ：t 在t ：之前开始，且二者之间有重叠； 包含( t l ，t 2 ) ：t ，的所有部分都包含在t 2 内，但t 。不包括t 2 的起点和终点( t ，是 时间点，t 2 是时间区间) ； 起始( t l ，t 2 ) ：t l 与t 2 有相同的起点，但t l 的终点在t 2 终点之前； 终止( t ，t 2 ) ：t l 与t 2 有相同的终点，但t l 的起点在t 2 起点之后； 同步( t l ，t 2 ) ：t l 与t 2 有相同的起点和终点( t i 与t 2 必需同时是时间点或时间区间) 2 3 空间时态数据模型 传统的g i s 也叫s g i s ( s t a t i cg i s ) ，而能够同时处理时间维度的g i s 叫 t g i s ( t e m p o r a lg i s ) 。t g i s 数据模型特点是语义更丰富、对现实世界的描述更准确。其 物理实现的最大困难在于海量数据的组织和存取。 1 9 8 8 年l o r e n t z o s 、1 9 8 9 年l a n g r a n 作了t g i s 方面最早的博士论文。到1 9 9 4 年为 止，有大约3 0 0 名研究人员发表了3 5 0 多篇关于时态数据库的文章。而同时涉及时态、 空间数据库的文章有大约1 6 0 篇。这反映了在t g i s 重要性被广泛认同的情况下，其研 究还没有得到足够的重视。1 9 9 6 年u c g i s ( u n i v e r s i t yc o n s o r t i u m f o rg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns c i e n c e ) 将t g i s 作为“地理描述扩展”的一部分列入g i s c i 十大优先研究领 域之列。现在t g i s 在国内外吸引了越来越多的学者进行 深入研究空间时态数据模型是根据对实体变化的检测和分析的需求，结合历史数据 管理而设计的数据模型。它的应用研究主要集中在地理空间变化和数据库领域。 根据不同的应用，目前已经有不同的空问时态模型与g i s 结合起来。目前在概念层 面，有四种比较流行的基本空间时态模型广泛的应用与其他空间时念模型设计。 乎燃解蒯( t h es n a p s h o tm o d e l ) ? 序列快照是由一系列时间切片组成的。各 个切片分别对应不同时刻的状态图层。有些gi s 用该方法来逼近时空特性。快照方法 对于表达地理时问最重要的组成变化来说，表达效果不直接。要得到两个时刻状态 的不同( u p 变化) ，必须对两个快照进行彻底的比较。总结起来该模型的主要缺陷有：1 ) 1 0 长安人学硕上学位论文 对于变化来说的隐式结构；2 ) 没有查错能力；3 ) 数据冗余大。节省存贮空间和提高操作效 率是t gi s 两个最主要的目标。因为t gi s 比之于s gi s 在数据量上要大很多。而s g i s 已使计算机系统能力承受了巨大的压力。且在快照模型中，每一个时间切片表示该 时间内的目标存在。但是仅该模型并不能反映一个状态向另一个状态变化的事件，更无 法反映时空拓扑的时空关系。所以说序列快照模型和gi s 分类中的模拟gi s ( a n a l o gg i s ) 一样，只是一种概念上的模型。不具备实用的开发价值。 t 图2 - 2 ：序列快照模型示列图 基蓉缪正撰型( b a s es t a t e 以拍a m e n d m e n t s ) ，该模型是在时间序列变化的基础上记录 基本状态和地理现象的空问变化( 如图2 3 所示) 。该模型与快照模型相比较，节约了 存贮空间。只存贮研究区的起始状态数据和一系列变化数据。由于明确地表达了“变化 作为两个版本( 或者状态) 间的边界。因此该模型和序列快照模型相比好像空间矢量模型 和栅格模型相比一样。该模型由于记录了变化部分，因此对于变化查询十分方便，但对 于事件的整体，历史的过程的查询就变得十分烦琐 t l ：农村t 2 ：变为城市的区域t 3 ：未变部分 图2 - 3 ：基态修正模型示意图 空间一时间复合模型( t h es p a c e - t i m ec o m p o s i t e s ) - 该赢滋是c h r i s m a n 哥1 9 8 3 年 针对矢量模型提出的。模型的起点是一个基图，它表达了最初的实体状况。每个数据库 的更新期将产生一个覆盖层。一但该层经过错误检查得到认可，该层将通过叠加操作合 并入系统，新的结点和弧段形成的新多边形在属性历史上将与它的邻接多边形不同。 第二章基本理论概念及团内外研究现状 t 1 ：at 2 ：bt 2 t 3 ：c 图2 - 4 ：时空复合模型 abc 是不同时间段地理现象叠加的结果实质上是基于状态修正模型的发展；是将时 空组合成为一个具体的时空集，把三维的时空体变为一个二维的空问，通过非空间属性 来说明该时间序列产生的时空组合。每个实体的属性历史用一个有序的记录列表来表 达。一个记录包括一个属性集和反映该属性集有效期的时间。该模型将空间变化和属性 变化都映射为空间的变化、导致新实体的产生，是序列快照和基态修正的折衷模型。其 最大的缺点在于多边形碎化和对关系数据库的过分依赖。时空复合模型使按照地理目标 进行查询十分困难。由于多边形叠加的结果，使时空集不断地破碎，时空体也受到了破 坏，为时空分析带来障碍。 空闻一时间立方体模型( t h es p a c e - t i m ec u b e ) ：h a g e r s t r a n d 最早亍19 7 0 年提怒 了空间2 时间立方体模型。这个三维立方体是由空间两个维度和一个时问维组成的，它描 述了二维空间沿着第三个时间维演变的过程。二维地物的演变轨迹形成了一个“蠕虫 似的模式。任何一个空间实体的演变历史都是空间2 时间立方体中一个实体。该模型形 象直观地运用了时间维的几何特性，表现了空间实体是一个时空体的概念，对地理变化 的描述简单明了，易于接受。模型具体实现的困难在于三维立体的表达( 王晓栋，2 0 0 0 ) 。 但是这样个概念模型，并不能反映目标间的时空联接和时空拓扑关系，同时作为一个 时空立方体，大大加重了计算机的负荷，占有了更大的存储空间，并要求发展新的时空 逻辑和数学算法，这往往是无法接受的。 1 2 长安人学硕士学位论文 赞笤：二詹赞 卫一馑血 目皿豳嚼口 r a s n ：l e n t n a lf 毡搿e a t ；。n a lc o m m e f c l a li n d u s t r i a ln oc t l a n g e 图0 5 ：空问时间立方体应用实例( r m ，2 0 0 1 ) 纵观上述时空模型的发展，多数仍以传统为基础，难以实现时空一体化，存在一些 引人注目的缺憾。 1 ) 时间与空间相分离。地理现象的时空属性功能和相关关系是统一的，目前大多 数时空模型都把空问和时间分割开来，在这种分割状况建立起来的系统，并不是真正意 义的时态地理信息系统。 2 ) 时空内涵的单一化。在大多数时空模型中“时态 仅指地理现象的时间定位，“空 间 是指地理现象的几何形状和地理坐标。这种单一的内涵无法反映地理现象的主要内 容及相关关系。例如，不能反映地理目标的时态与空间功能，不能反映地理现象的发生、 成长与消亡，更不能反映地理目标在时态与空间之间的相互关系。 3 ) 大多数时空模型是建立在传统的二维地理信息系统基础之上，难以实现时空的 一体化。 2 4 空间时态数据模型在土地管理领域的应用 2 4 1 基于时间事件的时空数据模型在土地分割系统中的应用 在土地管理中会涉及到各种类型空间属性数据和非空间属性数据，例如地形地貌 图、专题地图、各种规划图以及相关的文本数据等。空间实体的集合特征和其他主题特 征都在随时间的推移而不断发生变化。宗地边界线或区域的分属会因为土地使用权的出 让或地上建筑的建造而需要不断的修正。寻求合适的，可以反映空间实体时空变化过程 的时空模型，是有效的进行土地管理的唯一出路。 图2 6 给出了一个土地分割过程的事件序列。在分割过程中，申请人向土地管理人 员提出土地分割申请，土地管理人员对申请进行审核。审核结果包括向申请人认证相关 宗地的空间和非空间属性的现有状态或向申请人解释申请被拒绝的原因。在整个过程 中，确定土地位置，土地用途审批以及权属登记注册是三个主要的程序。 1 3 第二章皋奉理论概念及国内外研究现状 申请人的行为 土地管理部门的行为 f二竺!二_卜_；_jl二竺；i二二+-二殍动作发出人 lll l 巨卜斟孛刊一薯划驸 lli 。一上一一 l 土 _ 可一i 堋 - f 蔬s 3 i 状态 图2 - 6 ：土地分割过程的事件序列图 对于同一宗地而言，不同状态之间也存在着联系。也就是在土地分割建模中，对于 同一地块在不同状态下的关系也需要进行考虑。这种关系在图2 7 中得到了展现。 时间 1 9 4 9 1 0 0 1 ( t o )1 9 8 0 0 6 1 0 ( t i )1 9 8 8 0 2 2 0 ( t 2 )1 9 9 5 0 2 0 5 ( t 3 ) l ，i 。一 i i 7 ： 妙f 6 吵 7 i l e 田 3 销2 釜掣 图2 - 7 ：宗地之同关系示意图 在本模型中，一个事件由一个元组( e i d ，e a ，e p r o ，e s ) 来表示。其中e i d 代表事件的 标示：e a 代表事件的属性；e p r o 是事件发生的先决条件；e s 是事件发生的序列标示。 这个元组不仅可以描述空间实体已经相关事件之间的关系，而且对不同状态之间的关系 相对应。事件序列由空间实体变化而引起的系统工作流及事件执行顺序决定。我们可以 在定义事件事件、事件状态之间关系的基础上，来构建数据库框架，以反映整个事件 的特征。由此，土地管理人员在进行土地划割时，即可以对空l 司实体的各种状态进行查 询，也可以对相关的各种活动、行为进行查询。 1 4 长安大学硕士学位论文 2 4 2 半结构性地理实体包含历史信息的建模 地理实体特征是非常复杂的。它包括空间属性特征和非空间属性特征，而且这些特 征属性在随时间的推移而发生变化。在传统的关系模型或面向对象的数据模型中，来表 述地理实体并不是容易的事。s t e f a n a k i s 使用半结构数据( s e m i s t r u c t u r e dd a t a , s s d ) 来 描述地理实体，并在对象交互模型( o b j e c te x c h a n g em o d e l ，o e m ) 中研发了地理实体 的表述框架。 半结构数据( s s d ) 是根据数据的主要特征来定义的当前各种数据，按其结构化程 度来划分，可以分成完全结构化的数据，如关系型数据；完全无结构的数据，如声音文件或 图象文件中的数据，半结构化数据，它是位于前二者之间的数据，即数据结构是隐含给出的， 数据之间只有松散的约束；数据不是不规则、不完整的，数据和结构交织在一起，事先没有 固定的模式可遵从；数据结构是动态变化的需要从数据中进行抽取等。( 曹文仙等，2 0 0 7 ) s t e f a n a k i s 把实体的变化分为两种：存在( 1 i f e ) 和移转( m o t i o n ) 。存在( 1 i f e ) 是 指实体存在地位的变化；移转( m o t i o n ) 是指实体空间或非空间属性的变化。对于一个 实体而言，存在( 1 i f e ) 变化包括：实体的产生、消亡、与其他实体的合并以及分裂为 两个或多个新实体等：移转( m o t i o n ) 变化如在非空间属性发生变化或不变的情况下的 空间位置移转等。 时间维就是指地理实体的变化是伴随时间推移的。在对实体存在和移转变化的研究 中，历史数据显得尤其重要。这些历史数据记录了实体存在变化、移转变化以及继承变 化的过程。这里的继承变化是指从时间视角来说的父实体与子实体之间的关系。 在s t e f a n a k i s 的研究中，所有的时间结构都看做是即时操作和即时变化，即发生的变 化只与某一时间点相对应，而没有持续时间。历史信息的记录通过时间结构下实体间的 关系描述来完成。 o e m 是斯坦福大学( s t a n d f o r du n i v e r s i t y ) p a p a k o n s t a n t i n o u 等人提出的用来描 述半结构化数据的数据模型 5 ，它的主要特征是自描述性。该模型由表示对象的结点 和带标签( 1 a b e l ) 的有向边构成。每个对象用一个四元组来表示：( o b j e c t i d ， l a b e l ，t y p e ，v a l u e ) 。其中o b j e c t i d 是对象的唯一标识。l a b e l 是对象的标签描述。 t y p e 是对象类型，对象类型有两类：原子对象和复杂对象。原子对象的类型是基本原 子类型，如i n t e g e r ，s t r i n g ，r e a l 等。复杂对象是对象引用( o b j e c tr e f e r e n c e s ) 的 集合，每一个对象引用指向另一个子对象。( 蒙德龙，2 0 0 6 ) 第二章基本理论概念及国内外研究现状 5 1 5 j 5 0 0 74 1 2 ，t j u 土7 1 ( a )( b ) 图2 - 8 ：o e m 中点的图形描述( a ) 和文本描述( b ) ( s t e f a n a k i s2 0 0 3 ) 在此模型中，有四个方面属性数据：标示数据( u i d ) 、空问属性数据( s p a t i a l ) 、主 题属性数据( t h e m a t i c ) 以及时态属性数据( t e m p o r a l ) 。o e m 对他们有多种方法的建模 支持，但为了对半结构化数据的有效管理，一般选用最小结构建模方法。在最小结构法 中，空间属性和主题属性都由一系列的子节点来表示，这种表示被称作v e r s i o n s 。每一 个v e r s i o n 都对应一个时间标签，即这一属性的发生时间( 如图2 9 所示) 。 图2 - 9 ：空间属性和主题属性的最小结构法表；示( s t e f a n a k i s2 0 0 3 ) 如图2 9 中所示，在o e m 实体建模的框架内，图2 1 0 所示的地籍演变过程是可以用 o e m 来表示的。每块地籍宗地可以看作是一个唯一的、可辨识的空间实体。宗地的空问 描述、主题属性已经时态信息将以存在( 1 i f e ) 、移转( m o t i o n ) 以及继承( s u c c e s s i o n ) 来表示。 1 6 图2 - l o ：地籍宗地的演变( s t e f a n a k i s , 2 0 0 3 ) 图2 一l o 中描述了一个典型的地籍随时间变化的例子。在初始状态时( t 1 ) ，研究区域 内有四 权百分 块宗地。每块宗地的空间属性都以边界表示；主题属性包括所有权人姓名、所有 比。例如宗地i i i 的4 0 属于所有权人a ，还有6 0 属于所有权人d ；而宗地i i 贝j j 全 部属于所有权人c 。经过t ：，t 3t 4 的演变，在t ，时合并后的宗地v 覆盖了原有宗地的面积。且 宗地v 的所有权人保持不变，但所有权人的相关主题信息发生了变化( 新的地址) 。这个 实例可以用简图2 1 1 来表示。 t 1 - 7 i c r e a t e d 一 啼i i c r e a l e c l pl i i c r e a t e c l oi v c r o a t o d 图2 - 1 1 ：空间时态演变实例( 图2 一1 0 中的演变过程) ( s t e f a n a k i s ，2 0 0 3 ) 1 7 v 第二章暴奉理论概念及圜内外研究现状 2 4 3 谱系非循环图在地理领域的应用 s p 6 r y 和c l a r a m u n t ( 2 0 0 1 ) 将谱系非循环图( l i n e a g ed i r e c ta c y c l i cg r a p h d a g ) 运用到对地理实体变化的描述上图2 1 2 是地理实体的一些基本变化实例。 阳呻圈 t l j 4j j 图2 1 2 ：地理实体的基本变化( s p 6 r y , c l a r a m u n te ta 1 2 0 0 i ) 在t l 时刻，有宗地0 ，0 ：，0 。，0 4 和0 5 ； 在t 2 时刻，宗地0 。被分割为0 m0 5 ： ；宗地o ，0 ：被重整为0 协0 ； 在t 3 时刻，宗地0 m0 s 。整合为0 帅而宗地o 。被分割为0 3 。、o 。：、0 。、